JPWO2009110592A1 - 移動補助アーム及び移動装置 - Google Patents

Abstract

段差がある移動面を安定移動可能な小型かつ低コストな移動装置を構成できる移動補助アーム及びその移動補助アームを備えた移動装置を提供することにある。移動補助アーム（１０）は、移動面上にて移動する移動装置に用いられ、移動装置（１）の移動方向の少なくとも一端部から突出するように少なくとも１本取り付けられており、前記移動面に接触して前記移動装置の移動を安定化させる。これにより、移動装置は移動補助アームにより実質的に長くなるため階段等の段差がある移動面であっても安定移動することができる。また、移動補助アームを除く移動装置自体は小型であり、また移動補助アームは簡易な構成なため移動補助アームを含む移動装置を低コストで構成することができる。

Description

本発明は、移動面上にて移動する移動装置に用いられる移動補助アーム及びその移動補助アームを備えた移動装置に関し、特に段差がある移動面における移動装置の移動を安定化させることができる移動補助アーム及びその移動補助アームを備えた移動装置に関する。

従来より階段等の段差がある移動面をスムーズに移動可能な移動装置として、無限軌道を備えた移動装置、即ち複数のプーリとプーリ間に掛け渡されたベルトにより移動可能なクローラを備えた移動装置が多用されている。しかし、クローラの長さが階段の縁間の距離よりも短いときは、移動装置が階段を昇降中に不安定な姿勢となって転倒するおそれがある。そこで、主クローラ機構の後部プーリ軸を中心に主クローラ機構の後部側にて旋回自在な補助クローラ機構を配置した移動装置が提案されている。このような構成の移動装置によれば、階段を昇降する際には補助クローラ機構を主クローラ機構の後部から一直線に突出するように旋回位置決めすることにより、移動装置は実質的に長くなるため階段を安定的に昇降することができる（特許文献１参照）。
特開２００５−１４４５号公報

上述した移動装置は、主クローラ機構とは別に補助クローラ機構を備えているため、大型化すると共にコスト高になる傾向にある。
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、段差がある移動面を安定移動可能な小型かつ低コストな移動装置を構成できる移動補助アーム及びその移動補助アームを備えた移動装置を提供することにある。

上記目的達成のため、本発明の移動補助アームでは、移動面上にて移動する移動装置に用いられる移動補助アームであって、 前記移動装置の移動方向の少なくとも一端部から突出するように少なくとも１本取り付けられており、前記移動面に接触して前記移動装置の移動を安定化させることを特徴としている。これにより、移動装置は移動補助アームにより実質的に長くなるため階段等の段差がある移動面であっても安定移動することができる。また、移動補助アームを除く移動装置自体は小型であり、また移動補助アームは簡易な構成なため移動補助アームを含む移動装置を低コストで構成することができる。

また、アーム本体部が弾性材料で形成されていることを特徴としている。これにより、移動補助アームが固定されていても移動面に接触したときに撓むため、移動補助アームの破損を防止することができる。
また、アーム取付部に設けられた前記移動装置の移動方向及び上下方向と直交する軸を中心に所定角度で旋回自在に構成されていることを特徴としている。これにより、特に段差を降りるときに移動補助アームを下げて移動面に予め接触させておくことができるので、段差をスムーズに降りることができる。また、平坦な移動面を移動するときは移動補助アームを上げておくことができるため、移動補助アームの移動面に対する不用意な接触を防止することができ、スムーズに移動させることができる。

また、アーム本体先端部にカメラが備えられ、該カメラの配線が前記アーム本体内に通されていることを特徴としている。これにより、カメラで周囲を監視することができるので、移動中における障害物への衝突を回避することができる。また、カメラの配線が移動面等に擦れてしまうことは無いので、断線を防止することができる。
また、アーム本体先端部にグリッパが備えられ、該グリッパの配線が前記アーム本体内に通されていることを特徴としている。これにより、グリッパで物を把持することができるので、移動中において障害物を取り除くことができる。グリッパの配線が移動面等に擦れてしまうことは無いので、断線を防止することができる。

また、上記目的達成のため、本発明の移動装置では、上記各移動補助アームを備えたことを特徴としている。これにより、上記各作用効果を奏する移動装置を提供することができる。また、移動形態がクローラ型もしくは車輪型であることを特徴としている。これにより、比較的不整地な場所においても容易に移動することができる。

本発明の一実施の形態に係る移動補助アームを備えた移動装置を示す斜視図である。 図１の移動装置の階段の昇降におけるモデル図である。 テイルが無い移動装置の階段の昇降を説明する第１の図である。 テイルが無い移動装置の階段の昇降を説明する第２の図である。 テイルが有る移動装置の階段の昇降を説明する第１の図である。 テイルが有る移動装置の階段の昇降を説明する第２の図である。 テイルが無い移動装置による階段の昇り動作と、テイルが有る移動装置による階段の昇り動作の比較図である。 テイルが無い移動装置による階段の降り動作と、テイルが有る移動装置による階段の降り動作の比較図である。 テイルを有するクローラ長、重心高さ、そしてテイル長の関係を示す図である。 本発明の別の実施の形態に係る移動補助アームを備えた移動装置を示す斜視図である。

符号の説明

１，２１ 移動装置、２，２２ 本体、３，２３ クローラ、１０，３０ 移動補助アーム、１１，３１ テイル、１２ テイル駆動部

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。尚、以下の説明での前後は移動方向、左右は移動方向に直交する水平方向、上下は移動方向に直交する鉛直方向とする。

図１は、本発明の一実施の形態に係る移動補助アームを備えた移動装置を示す斜視図である。図１に示す移動装置１は、本体２の左右両側に一対のクローラ３が平行に配置されていると共に、一対のクローラ３間であって本体２の一側端２ａに移動補助アーム１０が突出して配置されている。クローラ３は、前後に配置された図示しない一対のプーリの間にベルト４が掛け渡され、プーリ間に図示しないモータとギア機構等が配置されている。そして、クローラ３は、モータの駆動力がギア機構等を介してプーリに伝達されることにより、ベルト４が図示矢印ａ方向に回転駆動されて前後移動及び旋回する。

移動補助アーム１０は、テイル１１とこのテイル１１をピッチ軸周りに旋回させるテイル駆動部１２を備えている。テイル１１は、例えばウレタンゴム等の弾性体で棒状に形成されており、一端が本体２の一側端２ａに回転自在に取り付けられている。即ち、本体２の一側端２ａには、本体２の両側方向に所定間隔をあけて２つの軸受２ｂが突設されており、これらの軸受２ｂ間には、回転軸２ｃが回転自在に軸支されている。そして、テイル１１の一端は、回転軸２ｃに固定されて回転軸２ｃの回転に従って上下に旋回するようになっている。

テイル駆動部１２は、モータ１３、ウォーム１４及びピニオン１５を備えている。モータ１３は、モータ軸１３ａが本体２の一側端２ａから突出するように本体２に内蔵されている。そして、ウォーム１４はモータ軸１３ａに嵌入され、ピニオン１５はウォーム１４と噛合うように回転軸２ｃに嵌入されている。テイル駆動部１２は、テイル１１を空中で上下に振り回すことが可能な出力を有するが、移動装置１自体を持ち上げるような強力な出力を有しない。

このような構成の移動装置１によれば、テイル１１は、テイル駆動部１２の駆動により環境に応じてその角度を切り替えることができる。また、テイル駆動部１２はウォーム１４及びピニオン１５を用いているため、テイル１１はバックドライブができないので、階段などでテイル１１の姿勢をエネルギを消費することなく保持できるなどの特性を発揮できる。この移動装置１は、クローラ３と移動補助アーム１０を備えているので、傾斜面、凹凸面、段差等がある比較的不整地な場所はもちろん、階段においても容易に移動することができる。次に、この移動装置１の階段における安定昇降について説明する。

図２は、移動装置１の階段Ｓの昇降におけるモデル図である。クローラ３のプーリ間長（以下、クローラ３長という）をＢ、テイル１１の軸長（以下、テイル１１長という）をｔ、移動装置１全体の重心ＣＧのクローラ３接地面からの高さ（以下、重心ＣＧ高さという）をｈとする。

このような移動装置１が階段Ｓを安定に昇降できるかどうかを、まず図３に示すテイル１１が無い移動装置１´で説明する。クローラ３が階段Ｓと接触する部分のうち、階段Ｓの一番下側で接触するエッジ点Ｐよりも、移動装置１´全体の重心ＣＧ´が上側にあるか否かで決まる。図３の位置にある移動装置１´がこの位置より階段Ｓを少々下降すると、重心ＣＧ´がエッジ点Ｐより下側になり、移動装置１´はエッジ点Ｐ回りに回転して階段Ｓの下側に転倒を始める。もちろん転倒を始めても移動装置１´の下側が階段Ｓに接触することで完全に転倒しない場合も考えられるが、少なくとも上述の条件が転倒運動を始めるか否かの切り替え点となる。

しかし、図４に示すように重心ＣＧ´がエッジ点Ｐの上にあるとき、下側の階段Ｓのエッジ点が移動装置１´の下側に接触するだけクローラ３が長いと、移動装置１´が階段Ｓを昇降する間いつでも移動装置１´は安定している。そのため、この姿勢を安定走行の限界姿勢と考え、この限界安定姿勢よりも安定性を高めるためには、次式（１）の条件が満たされる必要がある。

Ｂ・ｃｏｓ（α）／２−ｈ・ｓｉｎ（α）≧ａ…（１）

ただし、ａは階段Ｓの踏み面寸法、ｂは階段Ｓの蹴上げ寸法、αは階段Ｓの傾斜角、ｒはクローラ３のプーリ半径である。そして、この式（１）から次式（２）、（３）が誘導できる。

Ｂ＞２√（ａ^２＋ｂ^２）＋２ｂｈ／ａ…（２）
ｈ＜ａ（Ｂ／２−√（ａ^２＋ｂ^２））／ｂ…（３）

これらの式（２）、（３）から、通常の階段Ｓでたとえばａが２７５ｍｍ、ｂが１６０ｍｍであるとき、重心ＣＧ´高さｈと安定性を実現するためのクローラ３長Ｂの関係は表１のように算出できる。たとえば、重心ＣＧ´高さｈが３５０ｍｍのときは、クローラ３長Ｂは１．０４４ｍなければならない。

一方、図５（Ａ）に示すテイル１１が有る移動装置１では、テイル１１がクローラ３長を延長する効果を発揮し、またテイル１１の質量は小さいので、重心ＣＧは階段Ｓの上方に保ったままに、階段Ｓの下方に等価的なクローラ３長を延長すると同様の効果を発揮する。このようなテイル１１長と安定性の関係を以降求める。図５（Ｂ）に示すように、テイル１１の先端が下側の階段Ｓのエッジ部に乗っていれば、少なくとも図５（Ｂ）の姿勢では安定である。

しかし、移動装置１が少しでも上昇すると不安定になる。そのため、テイル１１長はより長いことが必要である。移動装置１が階段Ｓに対してどのような位置にいても安定性を保持できるテイル１１長がどのくらいかというと、図５（Ｂ）で重心ＣＧからの垂線がテイル１１の先端から階段Ｓのエッジ点を結ぶ距離ｃの位置（図５（Ｂ）ではエッジ点Ｐ）にあるという条件を満足する長さがその限界長さとなる。この限界の条件は以下のように求まる。まずクローラ３接地面の中心位置から重心ＣＧの垂線がクローラ３接地面と交差する位置までの長さｄは、次式（４）、（５）で表される。

ｔａｎ（α）＝ｂ／ａ＝ｄ／ｈ…（４）
ｄ＝ｂｈ／ａ…（５）

そして、重心ＣＧが階段Ｓのエッジ点Ｐの真上にある場合は、次式（６）となる。

ｃ＝ｔ＋（Ｂ／２−ｄ）…（６）

そして、このときのテイル１１長ｔは、次式（７）となる。

ｔ＝ｃ＋（ｄ−Ｂ／２）…（７）

重心ＣＧの位置がより高くてこの条件が満たされない場合には、図６に示すようにテイル１１長を長くして下側の階段Ｓのエッジ点Ｐより重心が上側にあるという条件を満足するようにすれば良い。

図７（Ａ）〜（Ｄ）、（Ｅ）〜（Ｈ）及び図８（Ａ）〜（Ｃ）、（Ｄ）〜（Ｆ）は、テイル１１が無い移動装置１´による階段の昇り動作及び降り動作と、テイル１１が有る移動装置１による階段の昇り動作及び降り動作の比較図である。テイル１１が無い移動装置１´では、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す階段Ｓの昇り準備動作においては安定しているが、図７（Ｄ）に示すように階段Ｓの昇り開始動作において転倒する。

一方、テイル１１が有る移動装置１では、図７（Ｅ）〜（Ｈ）に示す階段Ｓの昇り準備動作から昇り開始動作に至るまで安定している。また、テイルが無い移動装置１´では、図８（Ａ）〜（Ｂ）に示す階段の踊り場から階段Ｓの降り動作においては途中から急激に回転を始め、図７（Ｃ）に示すように転倒する。一方、テイル１１が有る移動装置１では、図８（Ｄ）〜（Ｆ）に示す階段Ｓの降り準備動作から降り開始動作に至るまで安定している。尚、テイル１１をあらかじめ下向きにしておけば、踊り場から階段Ｓに入るときに生ずる大きな転倒動作が防ぐことができる。

以上の考え方で、テイル１１を有するクローラ３長Ｂ、重心ＣＧ高さｈ、そしてテイル１１長ｔの関係を表２及び図９に示す。テイル１１が無い場合、重心ＣＧ高さｈが３５０ｍｍだとクローラ３長Ｂは１．０４４ｍ必要であった。しかしこの表２から、同じ条件でテイル１１長ｔが３２４．３ｍｍのテイル１１を取り付ければ、クローラ３長Ｂは１／３ぐらいの３９５ｍｍの長さですむことが分かる。このように、軽量なテイル１１を取り付けるだけで、短い長さのクローラ３でも高い安定性を発揮することが分かる。また、テイル１１は弾性的なものであるため、衝撃吸収効果も生み出す。また、このようなテイル１１を装備しても、そのサイズは非常に小さいので、障害物に当たって邪魔になるようなことは起き難い。

図１０は、本発明の別の実施の形態に係る移動補助アームを備えた移動装置を示す斜視図である。図１０に示す移動装置２１も、図１に示す移動装置１と同様に、本体２２の左右両側に一対のクローラ２３が平行に配置されている。クローラ２３は、前後に配置された図示しない一対のプーリの間にベルト２４が掛け渡され、プーリ間に図示しないモータとギア機構等が配置されている。そして、クローラ２３は、モータの駆動力がギア機構等を介してプーリに伝達されることにより、ベルト２４が図示矢印ａ方向に回転駆動されて前後移動及び旋回する。ただし、図１に示す移動装置１と異なり、一対のクローラ２３間であって本体２２の一側端２２ａに２つの移動補助アーム３０が概略平行に突出して配置されている。

各移動補助アーム３０は、テイル３１とこのテイル３１をピッチ軸周りに旋回させる図１に示す移動装置１と同様の構成の図略のテイル駆動部を備えている。各テイル３１は、例えばウレタンゴム等の弾性体で棒状に形成されており、一端が本体２２の一側端２２ａに回転自在に取り付けられ、テイル駆動部の駆動により環境に応じてその角度を切り替えることができる。そして、各テイル３１は、テイル駆動部がウォーム及びピニオンを用いているためバックドライブができないので、階段などでテイル３１の姿勢をエネルギを消費することなく保持できるなどの特性を発揮できる。このような構成の移動装置２１によれば、２つの平行配置された移動補助アーム３０により本体２２を支えることができるので、傾斜面、凹凸面、段差等がある比較的不整地な場所はもちろん、階段においても図１に示す移動装置１よりも更に安定性を向上させて容易に移動することができる。

尚、上述した各実施形態では、テイル１１，３１は、テイル駆動部１２により上下に駆動可能に構成したが、テイル１１，３１のみを本体２，２２の一側端２ａ、２２ａから移動方向に突出するように固定した構成としても良い。また、本体２，２２ａにテイル１１，３１のスライド機構を内蔵させてテイル１１，３１を本体２，２２内に収納可能とした構成としても良い。また、上下の駆動に左右の駆動も加えて３６０度旋回可能なテイル駆動部を備えた構成としても良い。また、テイル１１，３１は弾性体の代わりに剛性体としても良い。また、テイル１１，３１は本体２，２２の一側端２ａ，２２ａに１本取り付けたが、２本以上でも良く、本体２，２２の他側端にも同様に取り付けても良い。

また、テイル１１，３１の先端に小型全方位カメラを装備して監視作業も可能に構成しても良い。また、テイル１１，３１の先端にグリッパを装備してハンドリング作業も可能に構成しても良い。そして、カメラやグリッパの操作用の配線をテイル１１，３１内に通しても良く、その場合はテイル１１，３１が配線保護の役割を果す。また、テイル１１，３１の先端にローラを取り付けても良い。移動装置１，２１はクローラ３，２３により移動するが、タイヤ列により移動するようにしても良い。

Claims (7)

1. 移動面上にて移動する移動装置に用いられる移動補助アームであって、
   前記移動装置の移動方向の少なくとも一端部から突出するように少なくとも１本取り付けられており、前記移動面に接触して前記移動装置の移動を安定化させることを特徴とする移動補助アーム。
2. アーム本体部が弾性材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の移動補助アーム。
3. アーム取付部に設けられた前記移動装置の移動方向及び上下方向と直交する軸を中心に所定角度で旋回自在に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動補助アーム。
4. アーム本体先端部にカメラが備えられ、該カメラの配線が前記アーム本体内に通されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動補助アーム。
5. アーム本体先端部にグリッパが備えられ、該グリッパの配線が前記アーム本体内に通されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の移動補助アーム。
6. 請求項１又は２に記載の移動補助アームを備えたことを特徴とする移動装置。
7. 移動形態がクローラ型もしくは車輪型であることを特徴とする請求項６に記載の移動装置。

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